Under jordens sista istid, temperaturerna på planeten ökade periodvis dramatiskt och snabbt. Data i islager på Grönland och Antarktis visar att dessa uppvärmningshändelser – kallade Dansgaard-Oeschger och Antarctic Isotope Maximum – inträffade minst 25 gånger. Varje gång, inom några decennier, temperaturer klättrade 5-10 grader Celsius, kyldes sedan igen, gradvis. Även om det finns flera konkurrerande teorier för de fortfarande oförklarade mekanismerna bakom dessa spikar, ett nytt papper i journalen Kaos föreslår att matematik från informationsteori kan erbjuda ett kraftfullt verktyg för att analysera och förstå dem.

"I många system, före en extrem händelse, informationsdynamiken blir störd, " säger Joshua Garland, en postdoktor vid Santa Fe Institute och huvudförfattare på den nya tidningen. Till exempel, informationsteoretiska verktyg har använts för att förutse anfallshändelser från störningar i EEG-avläsningar.

Initialt, författarna förväntade sig att de skulle se en signal - en destabilisering i klimatrekordet som liknar de som sågs i EEG före anfall - strax före uppvärmningen. Men de signalerna dök aldrig upp. "Kring dessa händelser, du har samma mängd informationsproduktion, " säger Garland. Och det här, föreslå författarna, indikerar att Dansgaard-Oeschger och Antarctic Isotope Maximum-händelser med största sannolikhet var regelbundna och förutsägbara mönster av klimatet under den senaste istiden snarare än resultatet av oväntade händelser.

Dessutom, informationsteori kan förbättra hur forskare beräknar ackumulering - hur mycket snö som föll under ett givet år. "Det är väldigt utmanande. Många människor arbetar med det här, och de använder sofistikerad matematik, kombinerat med expertkunskap och kända funktioner, för att räkna ut ackumuleringen, säger Garland. För närvarande, fina pollensignaturer är några av de bästa skillnaderna mellan år i is som är tiotusentals år gammal, komprimeras under vikten av varje efterföljande snöfall. Informationsteori, och specifikt en statistisk metod som kallas permutationsentropi, erbjuder ett annat tillvägagångssätt. "Detta kan vara ett snabbt och effektivt verktyg för experterna för att bekräfta sitt arbete, säger Garland.

"När du har att göra med en tidsserie, du vill veta vilken meningsfull information som finns. Du vill extrahera det och använda det, och att inte använda information som inte är användbar, " säger Garland. "Vi hoppas att det här verktyget kan hjälpa forskare att göra detta med uråldriga klimatrekord."

Informationsteori används redan för att identifiera anomalier i klimatregistret – särskilt, att flagga anomalier som införts under insamling och observation av iskärnorna.

Denna artikel följer efter två relaterade studier publicerade i Entropy and Advances in Intelligent Data Analysis XV.

"Dessa informationsteoretiska beräkningar är inte bara användbara för att avslöja dolda problem med data, men också potentiellt kraftfull när det gäller att föreslå ny och ibland överraskande geovetenskap, " skriver författarna i den nya tidningen.